車床主軸帶輪結構與過盈配合應力探討
論文導讀：三維幾何造型軟件Pro/E，以其操作界面人性化、設計參數(shù)化等優(yōu)點在國內大小企業(yè)中使用十分廣泛。帶輪徑荷加固圈為過盈配合，過盈量分別取為5絲和30絲進行比較，以確定較好的修改方案。
關鍵詞：精密車床，過盈配合，結構優(yōu)化，Pro/，E_MECHANICA
1 引言
帶輪在安裝時發(fā)現(xiàn)其上螺孔處出現(xiàn)裂紋，且不能確定該裂紋出現(xiàn)的原因。發(fā)表論文。本文運用PRO/E建模并模擬帶輪實際工作環(huán)境，分析裂紋產生的原因，并進行結構改進和優(yōu)化。從結構分析到裝配加固圈修改方案的驗證計算，給此問題完整的分析。
三維幾何造型軟件Pro/E，以其操作界面人性化、設計參數(shù)化等優(yōu)點在國內大小企業(yè)中使用十分廣泛。其多學科仿真功能模塊Pro/ MECHANICA可以同時支持結構、熱、振動和運動仿真與設計優(yōu)化，在有限元分析領域中使用也很普遍。Pro/MECHANICA使用的有限元分析方法為p型法，它的位移函數(shù)和形函數(shù)采用多項式函數(shù)的計算方法，目前最多為9次函數(shù)。因而，它可以依靠自動拉升多項式函數(shù)的階數(shù)來提高解析精度。
2 帶輪結構分析
從帶輪現(xiàn)有結構入手，分析該結構是否滿足工作載荷的強度要求。
2.1 根據(jù)實際尺寸建模
實際工作中帶輪結構如圖1 所示。內圈與帶輪齒面間有12條加強筋。此模型輪齒已簡化，未畫出。
2.2 模擬真實工作環(huán)境給模型加載
2.3 根據(jù)實際尺寸建模
帶輪沿逆時針扭矩反方向整體扭曲變形。 圖2中給出最大主應力位于筋的根部，數(shù)值為42.49Mpa。
2.4 改進該結構并再次分析
改進后結構如圖3所示，在內部12條筋的基礎上，兩面各加一塊筋板。同樣加載情況下，整體最大主應力分布圖，如圖4所示。最大主應力僅有9.085MPa 。
2.5 比較兩種結構受力情況：
從表中可以看出：原始結構，筋板根部應力值超過許用應力值，無法保證生產安全和精度，應選用改進模型。其中，S1為載荷和應力的計算準確性系數(shù)，取1-1.5;S2材料性質的均勻性系數(shù)，鑄鐵件取1.5-2.5；S3零件的重要性系數(shù)，取1-1.5。安全系數(shù)S=S1*S2*S3 =1.5--5.6。發(fā)表論文。
| 最大主應力（MPa） | HT200 厚度 40 mm 拉伸強度（MPa） | HT300 厚度 40 mm 拉伸強度（MPa） | |
| 原結構 | 42.49 | 160 | 230 |
| 改進結構 | 9.085 | 安全系數(shù)1.5--5.6 安全應力107--28 | 安全系數(shù)1.5--5.6 安全應力153.3--41 |
表1 比較原始結構和改進結構最大主應力 3 結構修改方案
由于該帶輪體積較大，質量為（查得HT300的密度，在PRO/E中計算）。工時所限，對原始結構采取修改方案。即在帶輪螺孔開裂側安裝加固圈，結構如圖5所示。
3.1 分析建模
由于模型結構、載荷對稱，分析中只取模型 1/3。如圖6所示。帶輪徑荷加固圈為過盈配合，過盈量分別取為 5 絲和30絲進行比較，以確定較好的修改方案。
3.2 模型加載
3.2.1 計算帶輪脹緊壓力：
螺栓擰緊力矩 T=0.2Wd T =300Nmm
得到脹緊壓力為37.66N/mm2
3.2.2 模型加載情況，如圖 6 所示。
3.3分析方法
為找到適當?shù)倪^盈量，我們做兩次分析。讓帶輪和加固圈接觸面過盈量分別為5絲和30 絲，對比應力分布情況。
3.3.1過盈量為5絲的模型主應力結果圖
圖8 模型最大主應力位置3.3.2過盈配量為 30 絲與5絲結果對比
| 無加固圈 | 過盈5絲 | 過盈30絲 | ||
| 帶加固圈側 | 螺孔 | 307.8 | 163.8 | 98.02 |
| 徑圈 | 343.2 | 281.4 | 251.1 | |
| 無加固圈側 | 螺孔 | 276.8 | 282.9 | 287.1 |
| 徑圈 | 295.1 | 291.1 | 289.8 | |
表2 過盈量比較（最大主應力 MPa） 材料HT200 厚度30--50 mm 拉伸強度 160 MPa
安全系數(shù)范圍為 1.5--5.625
安全應力范圍為 106.67--28.4 MPa
3.4分析比較結果
修改方案加上加固圈后，帶輪帶加固圈側螺孔處，最大主應力明顯減小，表明該方案能起到一定作用。發(fā)表論文。但還存在其他位置主應力超過了安全應力變化范圍，不能保證使用安全。
4 結論
通過上述分析得出，生產中應使用帶輪的改進結構，并根據(jù)帶輪實際傳遞扭矩，適當減小螺栓擰緊力，以保證帶輪較薄弱的螺孔處不發(fā)生開裂。
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